[发明专利]一种CREDIT调度器中增量时间片调整装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及系统虚拟化、虚拟中断处理、虚拟机调度器设计领域，具体地，涉及一种CREDIT调度器中基于中断绑定决策支持的增量时间片调整装置及方法，用于解决由调度器中时间片长度设置所引起的上下文切换频繁、物理计算资源损耗及中断响应处理延迟较长的问题。

背景技术

系统虚拟化及其相关技术在业界发展迅速。虚拟化技术通过将一台或多台功能相对比较强大的物理服务器虚拟化成多台性能上相对普通的中小型计算机，实现了计算资源和存储资源的整合，在充分考虑现实情况和生产环境需求的前提下对整合后的物理资源进行集中式的管理、再分配与维护，相比原有的物理实体设备系统而言，具有易于把握全局资源利用情况，无需针对不断变化的计算规模和计算要求重复的购置物理资源，便于系统迁移、灾备和重建等主要优点。

目前主流的系统虚拟化实现方案中，虚拟机监视器(Virtual Machine Monitor,VMM)扮演了一个重要的角色。虚拟机监视器被设计成这样一个软件中间层，他对下层掌握实际的物理资源，包括物理系统的计算资源、存储资源、通信资源等，向上对虚拟操作系统提供虚拟硬件接口，从而实现同一个物理资源在虚拟操作系统层面上的复用。虚拟操作系统从虚拟机监视器中得到虚拟硬件的接口，认为自己独占有一些或某些硬件资源，从而实现系统设备的虚拟化。

目前业界主流的虚拟机监视器主要有XEN、KVM、VIRTUAL-BOX、VMWARE以及HYPER-V等。其中XEN作为主流的开源虚拟机监视器，为企业和研究机构研究虚拟机监视器开发技术提供了一个非常好的技术平台。XEN默认使用CREDIT调度器来调度VCPU(虚拟CPU)。CREDIT调度器是一种典型的常用调度器。在CREDIT调度器中，每个调度对象即VCPU被分配一定数额的CREDIT值，调度器以时间片为调度周期的考量，对VCPU进行调度。VCPU每运行一段时间，调度器就扣除与运行时间对应的CREDIT值。若VCPU用完了所有的CREDIT值，则在本调度周期中，该VCPU将不再被调度，即不再处于在线状态。

由于虚拟机监视器作为一种软件中间层插入到虚拟操作系统和底层物理硬件中间，不可避免地在系统整体性能上带来一定程度的负面影响，其中，I/O事件处理延时和VCPU切换性能浪费是两个典型的问题，而这两个问题都和调度器时间片的设计有密切关系。对于I/O事件处理在虚拟化环境中的延时问题，学术界目前采用的研究方法主要集中在设计抢占策略、缩短VCPU轮换的时间片长度、增加VCPU切换频率这些方面。缩短VCPU轮换的时间片长度增加了VCPU在调度队列中的分散度，在一定程度上能够缓解I/O事件处理的延时较长问题。但是，短时间片直接导致了更加频繁的VCPU上下文切换，从而将宝贵的系统计算资源浪费在VCPU切换上，降低了物理资源的实际利用率。进一步，对于CPU密集型任务，由于其I/O事件不处于主要的性能开销瓶颈中，频繁的上下文切换不但不利于任务的完成，反而会增加任务的时间开销。相反，较长的时间片有利于CPU密集型任务的完成，但是在传统的虚拟中断处理平台中，较长的时间片意味着较长的VCPU队列等待时间和更加不均匀的VCPU在线状态，从而导致I/O事件的响应延时进一步增长。

图1是虚拟机监视器中原有虚拟中断处理框架。可以看到，在原有的虚拟机监视器设计架构中，调度器的设计和虚拟中断处理平台在结构上是完全独立、互不联系的。以SMP虚拟机为例，在虚拟中断处理平台中，虚拟设备产生虚拟中断请求，发送给虚拟I/O APIC(输入/输出高级可编程中断控制器)，虚拟I/O APIC进一步将此中断请求绑定至该虚拟机的某一个确定的VCPU，并且将中断发送给该VCPU的虚拟Local APIC(本地高级可编程中断控制器)，完成中断注入。而另一方面，VMM中的调度器则负责调度VCPU，以每一个物理CPU为单位维护该物理CPU对应的VCPU队列，基于一定的管理方式，例如CREDIT管理等进行VCPU的调度。

综上所述，在系统虚拟化技术中，调度器时间片的设计从系统性能和物理资源利用率角度来说，存在这样一个自我矛盾、需要分析和进行权衡、取舍的问题。短时间片有利于I/O事件和中断的响应，长时间片则有利于CPU密集型任务的执行，并且减少了不必要的VCPU上下文切换所带来的计算资源的浪费。这种权衡的局面使得时间片的长度在设计上存在一定的争议，不能同时满足快速中断响应和高资源利用率的要求。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种兼顾快速中断响应和高资源利用率的时间片长度调整装置及方法。

发明内容